1、导言
近年来，电荷耦合器材（CCD，Charge Coupled Devices）在图画拍照方面起着非常重要的效果。是光电成像范畴里非常重要的高新技能产品。与传统的拍照传感器比较，CCD图画传感器具有输出噪声小、动态规模大、光谱呼应规模宽、分辨率高、输出信号线性度好、功耗低、体积小、寿命长等长处。CCD从芯片结构上可分为面阵CCD和线阵CCD两种类型。面阵CCD首要用于黑白及五颜六色摄像，而线阵CCD则在高清晰图画拍照方面表现出杰出的运用远景，因而，CCD成为现代光电子学和测验技能中最活泼、最富有效果的运用器材之一。
2、首要特点和引脚功用
2．1 首要特点
本文描绘的高速线阵CCD IL-P1-4096是加拿大DALSA公司出产的IL-P1系列图画传感器中的一种。该器材的像素尺度是10μm×μm、像素线阵长度为41mm、相邻像素距离也是10μm。线阵列的像素共有4096个，分两路输出。IL-P1-4096的首要性能参数如下：
·双相输出，每相输出数据频率为25MHz；
·线扫描速率为87kHz；
·可运用低压时序信号，时序信号电压小于5V；
·像素尺度为10μm×10μm；
·每行4096个像素点；
·动态呼应规模大于3200：1；
·灵敏度高，呼应可到达12V（uJ/cm2）;
·选用15V电压供电；
·每行孤立像素为14个；
·每行屏蔽像素为32个。
2．2 引脚功用
IL-P1-4096选用32引脚封装。各引脚的界说及阐明如下：
脚1、18（VLOW）：低压偏置电压，详细电路中可直接接地。
脚2、18（VDD）：放大器电源电压，一般情况下接芯片电源。
脚3（OS1）：输出信号1端，连接到数据处理芯片时要接隔直电容。
脚4（VSET）：输出节点门电压设置。一般箝坐落地。
脚5（CRLAST）：读出时钟，该时钟信号应和CR1S的频率、相位共同。
脚6，22（RS1S）：时钟1读出（相位1，存储相位），与CR2S反相。
脚7，23（CR2S）：时钟2读出（相位2，存储相位），与CR1S同频、反相。
脚8（TCK）：传输时钟。
脚9（PR）：像素复位时钟，用于操控CCD曝光和光积分时刻。
脚10（VPR）：像素复位漏极电压，接作业电源。
脚11，28（CR1B）：读出时钟（相位1，阈值相位），该端信号和CR1S同频、同相。
脚12，27（CR2B）：读出时钟（相位2，阈值相位），该端信号和CR2S同频、同相。
脚14，15，17，19（VHIGH）：15V高压基准电源。
脚16（NC）：悬空。
脚20，21，26（VBB）：感光低层偏置电压，接（-3V）。
脚24（VSTOR）：存储井电压，直接接地。
脚25，29（VSS）：参阅地，直接接地。
脚30（OS2）：输出信号2端，连接到数据处理芯片时要接隔直电容器。
脚31（VOD）：输出复位漏极电压端，接（+13V）电源。
脚32（RST）：输出复位时钟，频率和CR1S相同，脉冲下降沿与CR1S的下降沿重合，脉宽为5ns。
IL-P1-4096可依据传感器光敏单元（像素）上的感光改动，将目标图画的感光改动转化为电荷包。电荷包中电子的个数是由感光强度和CCD器材的光积分时刻决议的。电荷包被搜集到独立的存储井中，然后用像素复位时钟来操控CCD器材的积分和曝光时刻。
IL-PI系列传感器内部由三大首要功用块组成：光电二极管、CCD读出移位寄存器和输出放大器。其间光电二极管用来生成信号电荷包，输出放大器用来将电荷转化为电压脉冲，其内部结构如图1所示。需求留意的是，IL-P1-4096传感器是两路输出，奇像素和偶像素别离从不同的输出通道输出，是一种双排的线列阵CCD，光敏单元在中心，奇、偶单元的信号电荷别离传到上下两列移位寄存器后分两路串行输出。这种CCD的长处是具有较高的封装密度，搬运次数削减一半，因而可进步搬运功率，改进图画传感器的信号质量。
该传感器中的光敏单元与CCD移位寄存器分隔，而用搬运栅操控光生信号电荷向移位寄存器的搬运，其信号的搬运时刻一般远小于摄像时刻（光积分的时刻）。当搬运栅封闭时，光敏单元势阱将搜集光信号电荷，并经过必定的积分时刻后，构成与空间散布的光强信号对应的信号电荷图形。积分周期完毕后，搬运光栅翻开，各光敏单元势阱搜集的信号电荷并行搬运到CCD移位寄存器SR的相应单元内。搬运栅封闭后，光敏单元开端下一行的图画收集，罢了搬运到移位寄存器内的上一行信号电荷将经过移位寄存器串行输出，如此重复上述进程。
这儿的CR1S、CR1B、CR2S、CR2B是CCD输出像素的相位操作时钟。CRLAST是该CCD的信号输出时钟。RST是像素复位时钟。TCR是行搬运同步信号，可用来操控搬运栅。PR是曝光操控和积分时刻操控信号，其电平上升沿要滑润，不能峻峭。在TCK的两个高电平之间，可由PR来操控CCD的曝光和积分时刻。整个芯片的作业进程如下：当TCK的高电平到来时，CCD传感器曝光的光敏单元会将收集到的光信号搬运的相应的移位单元中。CCD的光敏单元在PR积分操控信号的效果下重新开端感光积分，而进入移位单元中的信号将在两相操作时钟CR1X、CR2X的效果下移出。RST信号的效果是减小两像素之间的相关信号，可在当时像素信号输出后到下一个像素信号到来前，对剩余信号进行铲除。
IL-P1-4096的作业驱动时序电路如图2和图3所示。由图可见，CR1X（CR1S、CR1B）和CR2X（CR2X，CR2B）的相位有必要相反，频率巨细为25MHz（该频率能够依据实践运用情况和条件设定相应缩小，但一切的时序都要因而做相应改动以契合CCD的整个时序要求）。CR1X和CR2X上升沿和下降沿的时差最大不能超越5ns，CR1S和TCK时钟下降沿的时差最小不能低于5ns。TCK的频率巨细为11.9kHz，抱负脉宽设定为300ns。PR的频率也为11.9kHz，而脉宽则为10μs（PR的脉宽应该依据实践的运用情况恰当改动巨细，其高电平上升沿和TCK高电平下降沿的时差在相距23ns的基础上依据实践情况调理）。RST频率为25MHz，脉宽巨细为5ns。图中的OSn（OS1、OS2）为CCD输出信号。
4、详细运用电路
因为对IL-PI4096的作业频率要求很高、相位联系杂乱，因而，笔者引荐运用高速CPLD作为CCD的根本时序发生器。设计时可运用Lattic公司的ispMACH4000C/B/V系列芯片，该芯片的作业时钟能够到达400MHz，完全能够满意此CCD的作业时序要求。
图4所示是IL-P1-4096的详细运用电路。从CPLD发送过来的根本时钟信号可经过简略电路进行相位校对并供给驱动电流，然后再送入CCD芯片。在Osn的输出端。电路可经过几个三极管组成的恒流源来供给CCD所需求的8mA驱动电流。
在电路板布线时，时序信号线要尽量短并且宽，有条件的当地应运用伴生线。CPLD和IL-P1-4096要尽或许接近。电路板最好运用四层板。板上电源应远离芯片和时序信号线。直流电源的纹波最好不要超越10mV。
在调式电路的时分，应当选用比较低的频率来操控IL-P1-4096的作业，然后，逐步升高作业频率。在CPLD上运用ISP软件改动输出频率是比较便利的。
5、完毕语
IL-P1-4096的精度高、感光呼应快，在工业操控和丈量范畴（如流水线产品检测、分类，文字与图画的辨认，机械产品尺度非触摸丈量等），该器材具有很强的实用性。
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